捷聯激光制導的視線信號提取方法

崔俊根，陳東生，王懷野，張格森，，邱海韜

（1．北京航天微系統研究所，北京100094；2．航天長征國際貿易有限公司，北京100070）

捷聯激光制導的視線信號提取方法

崔俊根1，陳東生1，王懷野1，張格森1，2，邱海韜2

（1．北京航天微系統研究所，北京100094；2．航天長征國際貿易有限公司，北京100070）

提出了一種彈目視線角信號的提取方法，該方法采用UKF解耦，針對捷聯激光制導炸彈需要攻擊移動目標卻不能測量彈目相對距離和速度的情況，建立了彈目相對運動模型，解耦過程不需要相對距離信息，能夠更方便地應用于工程實踐。經仿真驗證，此方法可以較好地估計出彈目視線角以及角速率信息，能夠滿足捷聯激光制導炸彈工程應用的需要。

捷聯導引頭；解耦；角速率估計；UKF濾波器

0 引言

捷聯導引頭直接與彈體固聯，省去了傳統導引頭的伺服機構，具有結構簡單、成本低廉的優點，正逐步應用于低成本制導彈藥中。由于導引頭輸出角度耦合了彈體姿態運動信息，無法直接輸出彈目視線角速率，需要利用導航信息進行信號解耦得到視線信號，信號解耦的好壞直接影響武器的精度，有效的解耦方法是捷聯導引頭應用的關鍵技術，是目前國內外捷聯制導研究的熱點問題之一。

目前，國內已經提出了幾種視線角信號的解耦方案，如文獻［1］介紹了坐標變換解耦方法，直接利用導引頭測量的角信號通過坐標轉換矩陣計算出所需要的視線角信號，這種方法優點是解耦方法簡單、編程方便、易于工程上直接使用，但是會將噪聲和誤差直接傳遞到制導系統中，降低制導精度；文獻［5］采用粒子濾波的方法進行解耦，但是粒子濾波算法計算量大，對制導炸彈彈載計算機性能要求很高；文獻［2］、文獻［12］、文獻［16］均介紹了采用UKF方法對捷聯光學圖像導引頭角速率信號進行提取，文獻［16］將彈目視線角及其角速率作為狀態量，利用彈目相對運動模型建立狀態方程，通過觀測導引頭輸出高低角和方位角可以很好地估計彈目視線角速率，但是制導炸彈在攻擊移動目標時無法得到彈目相對距離以及相對速度信息，此方法在制導炸彈的應用中較難實現；文獻［2］、文獻［12］分別提出了采用UKF及其改進形式估計彈目視線角速率的方法，其方法是利用導引頭輸出的角度和角速率以及彈體姿態運動信息重構彈目視線角速率，但是激光導引頭無法提供彈體系下視線角速率信號，而通過濾波和微分的方式求解角速率又會帶來較大延時，影響制導炸彈性能，因此在工程應用中難度較大。

本文從實際工程應用的角度出發，針對已有的方法和應用中遇到的問題，利用捷聯激光導引頭和慣導系統所提供的角度和速度信息，給出了一種基于UKF的彈目視線信息的提取方法。該方法在分析彈目相對運動的角度關系的基礎上增加相對距離的方程，并利用彈體速度作為觀測量，不需要彈目相對位置信息即可獲得彈目視線信號，更方便應用于捷聯激光制導炸彈的工程實踐。通過仿真驗證此種方法的可行性，為實際工程應用提供一定的依據。

1 捷聯激光制導流程及導引頭介紹

捷聯激光制導炸彈制導流程如圖1所示。制導系統所需要的制導信息為地理系下的彈目視線角信號qλ、qγ。由于捷聯導引頭直接與彈體固連，若不考慮安裝誤差，其輸出信號僅為目標光斑在彈體系下的高低角與方位角，因此導引頭觀測角qα、qβ是視線角qλ、qγ在彈體系下的信號。在導引頭觀測信號中除了有彈目視線信息外還耦合了彈體姿態角信息。因此需要將導引頭輸出信號通過解耦模塊提取出彈目視線角信息作為制導信號輸入制導系統，得到指令過載并轉換到彈體系下，通過姿態控制系統控制舵機產生相應的實際過載，從而保證制導炸彈精確穩定命中目標。

圖1　捷聯激光制導炸彈制導流程圖Fig.1 The flow?process diagram of guidance for strapdown laser guided bomb

由圖1所示制導流程可以看出，制導炸彈除了導引頭外沒有獲得目標信息的其他途徑，捷聯激光導引頭作為尋的器為制導炸彈提供目標信息，解耦模塊從導引頭輸出信號中提取制導信息，而制導信號的準確性是激光制導炸彈能否精確命中目標的關鍵所在。因此，如何從導引頭中準確地提取彈目視線信號是捷聯激光制導炸彈設計研發的首要解決問題。

圖2　激光導引頭原理圖Fig.2 The measurement principle of the laser seeker

由于激光的單色性和方向性好、束散角小、能量集中、具有很高的跟蹤精度和空間分辨率，激光導引頭被廣泛應用于制導彈藥中。激光導引頭一般由光學系統、光電探測器及前放、信息處理模塊等部分組成。光學系統采集激光信號，探測器一般為四象限探測器，導引頭將探測器獲得的目標回波信號進行脈沖展寬、峰值保持等處理，輸入和差比幅電路進行目標位置解算，設A、B、C、D四象限所收到的電壓信號分別為UA、UB、UC、UD，則目標位置的解算原理如圖2所示。利用已經得到目標在導引頭視場中的坐標信號，通過進一步的運算處理，可以求出目標在導引頭視場中的高低角和方位角。

由導引頭工作原理可以看出，作為半主動式尋的器，捷聯激光導引頭輸出信息僅為目標的角度信息；與光學圖像導引頭不同，捷聯激光導引頭無法通過圖像處理的方式得到角速率信息；與主動式導引頭如雷達導引頭相比，捷聯激光導引頭無法探測目標的位置信息，不能輸出彈目相對距離信號。由此可知，激光導引頭輸出信息較為局限，很難從其輸出中得到除方位角以外的其他有用信息。

由于捷聯激光導引頭的瞬時視場較大則帶來了較大的噪聲。以某型號捷聯激光導引頭為例，導引頭視場角為6°，其噪聲均方差約為0．3°，噪聲最大值達到了0．5°。根據文獻［9］所述，采用坐標轉換解耦時，導引頭噪聲會在制導系統中傳遞而無法消除，因此會影響制導炸彈的性能。濾波網絡可以很好地濾除導引頭噪聲，但是會產生延時：若在導引頭輸出信號時進行濾波，濾波器延時會影響信號解耦的準確性，產生隔離度，影響制導炸彈的穩定；若對解耦后的彈目視線角進行濾波，則會帶來制導信號的延時，直接影響制導系統和姿態控制系統的設計和穩定性能。

因此，本文采用UKF濾波器對彈目視線信號進行提取，在導引頭觀測信號的基礎上增加導航系統所提供的制導炸彈速度為觀測量，從而直接估計出彈目視線角及其角速率信號，并進行彈道仿真，以驗證此方法的可行性。

2 UKF解耦模型的建立

2.1 坐標系及其轉換

為了描述從導引頭輸出的體視線角和角速率陀螺測到的姿態角到慣性系下彈目視線角的映射，定義解耦所需要的坐標系如下：

1）地理坐標系（O XgYgZg），O點選在發射點的地面上，O Xg沿當地水平面指東，O Yg沿鉛垂線向上，O Zg垂直于O ZgZg面并且與O Xg、O Yg按照右手定則確定；

2）彈體坐標系（O XbYbZb），O點位于炸彈的質心上，O Xb與彈體縱軸重合，O Yb在彈體縱向平面內，垂直于O Xb軸，向上為正，O Zb按照右手定則確定；

3）視線坐標系（O XsYsZs），O取在炸彈質心，O Xs軸沿視線方向，指向目標為正，O Ys在包含O Xs軸的鉛垂面內，與O Xs軸垂直，向上為正，O Zs按照右手定則確定；

4）體視線坐標系（O XlYlZl），O點取在炸彈質心，O Xl軸沿視線方向，指向目標為正，O Yl軸在彈體縱向對稱面內并垂直于O Xl軸，向上為正，O Zl軸按照右手定則確定。

通過上述坐標系之間的歐拉角可以確定坐標系之間的相互轉換矩陣分別為：

2.2 UKF狀態方程及觀測方程的建立

目標在視線系和體視線系中的坐標Xs和Xl均為［r 0 0］T，則目標在彈體系和地理系中的坐標Xb和Xe分別為［1］：

將Xs=Xl=［r 0 0］T代入式（1），則可以解出體視線高低角qα和方位角qβ與彈目視線角qγ、qλ，轉換關系如式（2）所示：

其中，Rij為中第i行第j列元素。

地理系首先繞OYg轉動qγ角度，再繞OZs轉動qλ角度，則可轉換為視線坐標系，其轉換矩陣為轉動角速率為：

因為目標在視線系下的向量為Xs=r 0 0[]T，對向量Xs求二次絕對倒數，可以求得地理系下彈目相對運動方程為［17］：

根據式（4）所述彈目運動方程，設置UKF濾波器的狀態方程如式（7）所示，由于目標機動情況未知，所以將目標加速度項設為噪聲項Vk。

彈目相對運動速度如式（8）所示。其中，VM為目標移動速度，VT為彈體移動速度。由于制導炸彈攻擊的目標機動能力不高、運動速度較低，而制導炸彈速度較大，因此可以將VT等效為一個噪聲，從而將彈目相對運動速度作為觀測量輸入UKF濾波器中，以便于準確估計出彈目相對距離信息。

令觀測量Z為UKF濾波器觀測信號，其輸入量為導引頭信息以及彈目相對運動信息，即根據式（2）和式（8），可得觀測方程如式（9）所示。其中，w1、w2為導引頭噪聲，w3為目標運動速度，也設為觀測噪聲。

利用上述狀態方程和觀測方程代入UKF算法進行濾波，可以在彈道仿真中較好地估計出彈目視線角以及角速率，并作為制導信號直接應用于比例導引等制導律中。

3 仿真結果

采用2．2節所示狀態方程和觀測方程、利用圖1所示制導流程，將UKF濾波器作為解耦模塊用于彈道仿真，并與理想值進行對比，從而驗證此方法的可行性并計算其估計精度，為捷聯激光制導炸彈采用UKF算法解耦的實際工程應用提供一定依據。

3.1 仿真參數設置

為驗證基于UKF的彈目視線角信息估計算法的可行性，利用圖1所示流程進行彈道仿真，并將解耦結果與理想值進行對比。仿真初始參數設置如下：

1）初始彈體高度6000m，彈目相對距離25000m；

3）目標運動速度為10m／s，運動方向為北向；

4）導引頭噪聲為滿足正態分布的隨機噪聲，其標準差為0．009rad；

5）假定高空風速為0，制導炸彈飛行過程中無切變風。

以上述初始條件進行仿真，利用UKF濾波器進行彈目視線角以及角速率的解耦解算，從而驗證此方法在制導炸彈飛行過程中的可行性。

3.2 仿真結果

利用圖1所示仿真流程以及3．1節所示初始條件進行仿真，仿真結果如圖3～圖7所示。圖3、圖4為理想視線角和采用UKF解耦的彈目視線角信息，圖5為采用UKF估計的彈目視線角速率信息，圖6、圖7為估計誤差。可以看出UKF算法提取高低角誤差的絕對值的均值約為0．002rad，方位角的誤差約為0．002rad，高低角速率誤差約為0．008rad／s，方位角誤差約為0．006rad／s。

圖3　高低角估計曲線Fig.3 The altitude angle estimation

圖4　方位角估計曲線Fig.4 The azimuth angle estimation

圖5　角速率估計曲線Fig.5 The estimation of the angular rate

圖6　角度值估計誤差曲線Fig.6 The estimation error curve of the angle

圖7　角速率估計誤差曲線Fig.7 The estimation error curve of the angular rate

從上面的仿真結果可以看出，采用此種方法對彈目視線角以及角速率信息進行估計可以抑制大部分噪聲，估計精度較高，捷聯激光制導炸彈可以直接利用UKF濾波器估計的信息進行制導；由于本型號制導炸彈攻擊距離遠、彈目視線角變化較為平滑，因此彈目視線角速率的值在0附近，但是仍有較小的值存在，而角速率估計誤差均值為0證明此方法可以完成對彈目視線角速率的估計；從圖6、圖7中可以看出估計誤差在彈道末端突然增大，這是因為在制導炸彈將要擊中目標時，彈目相對距離約為0，理想彈目視線角度值的計算趨于無窮大，從而導致計算機解算結果發散，此時的數據不是真值，在應用中對制導系統沒有影響。

4 結論

本文以捷聯激光制導炸彈為背景，提出了一種采用UKF濾波器的彈目視線角信號的提取方法，該方法增加了彈目相對距離和相對運動速度作為狀態變量，在導引頭輸出信號的基礎上增加了制導炸彈飛行速度作為觀測量，解耦過程不需要相對距離信息，能夠更方便地應用于工程實踐。經仿真實驗證明，此方法可以估計出彈目視線角信息和角速率信息，并抑制大部分導引頭噪聲，估計精度較高，能夠更方便地應用于實踐，為工程設計提供了一定依據。

［1］孫婷婷，儲海榮，賈宏光，等．捷聯式光學導引頭視線角速率解耦與估計［J］．紅外與激光工程，2014，43（5）：1587?1593．SUN Ting?ting，CHU Hai?rong，JIA Hong?guang，et al．Line?of?sight angular rate decoupling and estimation of strapdown optical seeker［J］．Infrared and Laser Engineer?ing，2014，43（5）：1587?1593．

［2］薛舜，周軍，葛致磊．捷聯導引頭目標視線角速率重構方法研究［J］．計算機仿真，2009，26（3）：82?86．XUE Shun，ZHOU Jun，GE Zhi?lei．Line?of?sight angle rate reconstruction for strapdown seeker［J］．Computer Simulation，2009，26（3）：82?86．

［3］趙妍．捷聯導引頭解耦系統的研制［D］．哈爾濱工程大學，2007．ZHAO Yan．Development of decoupling system of strapdown seeker［D］．Harbin Engineering University，2007．

［4］宗睿，林德福，劉泰然，等．采用UKF的光學捷聯導引頭刻度尺誤差補償方法［J］．紅外與激光工程，2014，43（11）：3577?3584．ZONG Rui，LIN De?fu，LIU Tai?ran，et al．Compensation method for scale error of optical strapdown seeker using UKF［J］．Infrared and Laser Engineering，2014，43（11）：3577?3584．

［5］李璟璟，伊國興，張迎春．基于粒子濾波的捷聯成像導引頭視線角速率估計［J］．彈箭與制導學報，2009，29（2）：91?94．LI Jing?jing，YI Guo?xing，ZHANG Ying?chun．Strapdown imaging seeker LOS rate estimation based on particle filter［J］．Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guid?ance，2009，29（2）：91?94．

［6］王琪，付書堂．捷聯導引頭去耦算法研究［J］．航空兵器，2012（6）：7?19．WANG Qi，FU Shu?tang．Decoupling algorithm on strap?down seeker［J］．Aero Weaponry，2012（6）：7?19．

［7］賈鑫，羅艷偉，羅麗．全捷聯導引頭解耦技術方法［J］．戰術導彈技術，2013（1）：77?81．JIA Xin，LUO Yan?wei，LUO Li．Research on decoupling methods of strapdown seeker［J］．Tactical Missile Technol?ogy，2013（1）：77?81．

［8］李富貴，夏群利，祁載康，等．全捷聯導引頭寄生回路影響與辨識校正［J］．系統工程與電子技術，2013，35（8）：1718?1722．LI Fu?gui，XIA Qun?li，QI Zai?kang，et al．Effect of para?sitic loop on strapdown seeker and compensated with iden?tificationmethod［J］．SystemsEngineeringand Electronics，2013，35（8）：1718?1722．

［9］姚郁，林喆，遆曉光．捷聯成像尋的器慣性視線重構精度分析［J］．紅外與激光工程，2007，36（1）：1?4．YAO Yu，LIN Zhe，DI Xiao?guang．Accuracy analysis of inertial line?of?sight reconstruction with strapdown imaging homing seeker［J］．Infrared and Laser Engineering，2007，36（1）：1?4．

［10］李璟璟．捷聯成像導引頭視線角速率估計方法研究［D］．哈爾濱工業大學，2008．LI Jing?jing．Research of LOS rate estimation method for strapdown imaging seeker［D］．Harbin Institute of Tech?nology，2008．

［11］王磊，夏群利，祁載康．探測器和角速度陀螺的噪聲及刻度尺誤差對捷聯探測器積分比例導引系統的影響研究［J］．電子學報，2006，34（9）：1653?1658．WANG Lei，XIA Qun?li，QI Zai?kang．Efects of detector and rate gyro noise and scale?factor errors on systems using strapdown detector and integral form of proportional navigation law［J］．Acta Electronica Sinica，2006，34（9）：1653?1658．

［12］林喆，姚郁，富小薇．捷聯成像尋的器視線重構［J］．光電工程，2006，33（3）：40?43．LIN Zhe，YAO Yu，FU Xiao?wei．Line?of?sight recon?structionforstrapdownimagingseeker［J］．Opto?electronic Engineering，2006，33（3）：40?43．

［13］溫求遒，李然，夏群利．全捷聯成像導引頭隔離度與寄生回路穩定性研究［J］．紅外與激光工程，2014，43（1）：260?266．

WENQiu?qiu，LIRan，XIAQun?li．Disturbance rejection rate and parasitical loop stability for strapdown imaging seeker［J］．Infrared and Laser Engineering，2014，43（1）：260?266．

［14］王嘉鑫，林德福，祁載康，等．全捷聯導引頭隔離度對制導穩定性的影響［J］．紅外與激光工程，2013，42（10）：2608?2613．WANG Jia?xin，LIN De?fu，QI Zai?kang，et al．Effect of strapdown seeker disturbance rejection rate on stability of PNG system［J］．Infrared and Laser Engineering，2013，42（10）：2608?2613．

［15］訚勝利，張躍，張鑫，等．相位匹配法用于提高非制冷全捷聯導引頭制導信息精度［J］．光學與光電技術，2013，11（1）：76?80．YAN Sheng?li，ZHANG Yue，ZHANG Xin，et al．Impro? ving guidance message extraction of uncooled infrared im?aging seeker using phase matching method［J］．Optics＆Optoelectronic Technology，2013，11（1）：76?80．

［16］孫婷婷，儲海榮，賈宏光，等．捷聯式光學圖像導引頭視線角速率估計［J］．光學學報，2014（6）：163?169．SUN Ting?ting，CHU Hai?rong，JIA Hong?guang，et al．Line?of?sight angular rate estimation of strapdown optical image seeker［J］．ActaOpticaSinica，2014（6）：163?169．

［17］郭建國，周軍．基于H∞控制的非線性末制導律設計［J］．航空學報，2009，30（12）：2423?2427．GUO Jian?guo，ZHOU Jun．Design of H∞control based nonlinear terminal guidance law［J］．Acta Aeronautica et Astronautica Sinica，2009，30（12）：2423?2427．

Line-of-sight Angular Estimation of StraPdown Laser Seeker

CUI Jun?gen1，CHEN Dong?sheng1，WANG Huai?ye1，ZHANG Ge?sen1，2，QIU Hai?tao2
（1．Beijing Institute of Aerospace Microsystems，Beijing 100094；2．Aerospace Long?march International，Beijing 100037）

Based on the angle information provided by the strapdown laser seeker and inertial navigation system，the reconstruction filter is designed，where the theory of and unscented Kalman filter（UKF）is applied to treat the nonlinearity．Compared with conventional LOS dynamic models，the relative distance between the missile and target，which is unobserv?able to laser seekers，together with the unknown maneuver models of the target are unnecessary．As a result，the model is convenient to use．The results of computer simulations justify the validity of the LOS reconstruction filter，which can be used to restrain noice and meet the needs of the project．

strapdown seeker；decoupling；angular rate estimation；unscented Kalman filter（UKF）

T765．3

A

1674?5558（2016）03?01241

10．3969／j．issn．1674?5558．2016．06．013

2016?02?03

崔俊根，男，碩士，研究方向為導航、制導與控制。